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博碩士論文 etd-0815108-162914 詳細資訊
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論文名稱
Title
製作於矽基板之表面聲波振盪器作為紫外光感測之研究
The Study of ZnO/Si Layered SAW Oscillator for UV Detection
系所名稱
Department
畢業學年期
Year, semester
語文別
Language
學位類別
Degree
頁數
Number of pages
84
研究生
Author
指導教授
Advisor
召集委員
Convenor
口試委員
Advisory Committee
口試日期
Date of Exam
2008-07-24
繳交日期
Date of Submission
2008-08-15
關鍵字
Keywords
表面聲波元件、表面聲波振盪器、紫外光感測、氧化鋅
UV detection, SAW oscillator, SAW device, ZnO
統計
Statistics
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中文摘要
本研究使用反應性射頻磁控濺鍍法,在矽基板上沉積高c軸排向之氧化鋅(ZnO)薄膜,由XRD、SEM與AFM分析結果顯示,最佳沉積條件為以兩階段方式沉積,其參數為:氧氣濃度75 % (第一階段)及50 % (第二階段)、濺鍍功率100 W及濺鍍壓力25 mTorr。另一方面,藉由四點探針量測進行片電阻分析,可得作為IDT指叉電極之鋁最佳沉積條件為濺鍍功率100 W及濺鍍壓力4 mTorr。利用以上所得最佳參數於矽基板上沉積ZnO壓電薄膜後,再於其上製作指叉電極換能器(IDT)完成表面聲波(SAW)元件。
紫外光感測之研究乃利用IDT/ZnO/Si結構之SAW元件製作成振盪電路,藉由紫外光照射IDT電極部份之ZnO薄膜,產生聲電效應(Acoustoelectric effect),振盪電路輸出之振盪頻率因而產生變化,藉此達到紫外光感測之目的。由於感測度與SAW感測器之操作頻率成正比,因此本研究利用共振頻率較高之Sezawa mode共振模態,可得到較高的紫外光感測度。本研究之SAW振盪器實際振盪頻率為751.41 MHz,紫外光照射於IDT電極正中央之ZnO處可達到最佳的感測能力,最佳紫外光感測度為8.12 ppm/(μW/cm2)。
Abstract
The highly c-axis oriented ZnO films were deposited on silicon substrates by reactive RF magnetron sputtering in this study. The optimal two-step deposition parameters for ZnO films, which are oxygen concentrations of 70 % (1st step) and 50 % (2nd step), RF power of 100 W and sputtering pressure of 25 mTorr, are obtained by means of XRD, SEM and AFM analysis. Al films are deposited under optimal deposition parameters, which are DC power of 100 W and sputtering pressure of 4 mTorr, to form IDT electrodes with low sheet resistances. Therefore, Al/ZnO/Si layered SAW devices were fabricated under these optimized manufacturing parameters.
An oscillator based on a Al/ZnO/Si layered SAW device was fabricated for the application of UV detection and then investigating the acoustoelectric effect between surface acoustic wave and ultraviolet light illumination. Due to the fact that the sensor sensitivity is directly proportional to the resonance frequency, in this study the SAW device with high resonance frequency of Sezawa mode is adopted to form SAW oscillator for high sensitivity. The resonance frequency of SAW oscillator is 751.41 MHz. The optimal detecting zone for UV light is the center of IDT electrode with maximum sensitivity of 8.12 ppm/(μW/cm2).
目次 Table of Contents
摘要.........I
ABSTRACT.........II
目錄.........III
圖表目錄.........VI
第一章 前言.........1
1.1 研究背景與動機.........1
1.2 研究內容.........2
第二章 理論分析.........4
2.1壓電效應與壓電材料.........4
2.2 ZnO 結構與特性.........5
2.3 表面聲波(Surface acoustic wave, SAW)元件理論與特性.........6
2.3.1 SAW元件基本設計與特性.........6
2.3.2 IDT(指叉電極換能器).........7
2.3.3 Rayleigh Wave(雷利波)與Sezawa mode.........7
2.3.4 SAW元件矽基板背部蝕刻.........8
2.4 SAW振盪器之振盪原理.........9
2.5 SAW振盪器紫外光感測原理.........11
第三章 實驗.........14
3.1 實驗流程.........14
3.2 薄膜沉積.........14
3.2.1 射頻磁控濺鍍ZnO薄膜.........15
3.2.2 直流磁控濺鍍鋁電極.........16
3.3 ZnO薄膜與鋁電極分析.........16
3.3.1 X光繞射(X-Ray Diffraction, XRD)分析.........16
3.3.2 掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy, SEM)分析.........17
3.3.3 原子力量測顯微鏡(Atom Force Microscopy, AFM)分析.........18
3.3.4 四點探針片電阻分析.........18
3.4 SAW元件製作與量測.........19
3.4.1 基板清洗.........19
3.4.2 射頻磁控濺鍍壓電層ZnO薄膜.........20
3.4.3 IDT指叉電極製作.........20
3.4.4 矽基板蝕刻背部空腔.........21
3.4.5 SAW元件網路分析儀量測.........22
3.5 SAW振盪器之電路設計與模擬.........22
3.6 SAW振盪器製作與紫外光感測.........23
第四章 結果與討論.........24
4.1 ZnO薄膜與鋁電極分析.........24
4.1.1 X光繞射分析.........24
4.1.2 掃描式電子顯微鏡分析.........26
4.1.3 原子力量測顯微鏡分析.........26
4.1.4 四點探針片電阻分析.........27
4.2 SAW元件製作.........27
4.3 SAW元件網路分析儀量測分析.........28
4.4 SAW振盪器電路模擬與實際結果.........29
4.5 SAW振盪器紫外光感測結果與分析.........30
第五章 結論.........32
參考文獻.........34

圖2-1 壓電效應,(a)正壓電效應,(b)逆壓電效應.........38
圖2-2 氧化鋅(ZnO)結構.........39
圖2-3 由縱波與剪波組成之SAW.........40
圖2-4 IDT表面電荷密度圖.........41
圖2-5 分散電流源模型與表面波之產生示意圖.........42
圖2-6 三種主要的表面聲波振盪器架構.........43
圖2-7 單埠負阻抗振盪電路示意圖.........43
圖2-8 單埠負阻抗串聯並聯等效電路.........44
圖2-9 振盪器輸出頻譜相位雜訊示意圖.........45
圖3-1 實驗流程圖.........46
圖3-2 SAW元件製作流程圖.........47
圖3-3 SAW元件實體圖.........48
圖3-4 SAW振盪器振盪電路圖.........49
圖3-5 SAW振盪電路示意圖與實體圖.........50
圖3-6 紫外光感測系統示意圖.........51
圖4-1 不同濺鍍壓力下ZnO薄膜之X光繞射圖。 固定參數:120 W、O2:50 %、4 hrs、室溫。.........52
圖4-2 不同RF濺鍍功率下ZnO薄膜之X光繞射圖。 固定參數:25 mTorr、O2:50 %、4 hrs、室溫。.........53
圖4-3 不同沉積時間下ZnO薄膜之X光繞射圖。 固定參數:100 W、25 mTorr、O2:50 %、室溫。.........54
圖4-4 不同RF濺鍍功率下ZnO薄膜之SEM剖面圖, (a) 80 W、(b) 100 W、(c) 120 W。 固定參數:25 mTorr、O2:50 %、4 hrs、室溫。.........55
圖4-5 不同RF濺鍍功率下ZnO薄膜之SEM上視圖, (a) 80W、(b) 100W、(c) 120W。 固定參數:25 mTorr、O2:50 %、4 hrs、室溫。.........56
圖4-6 不同濺鍍時間下ZnO薄膜之SEM上視圖, (a) 3 hrs、(b) 4 hrs、(c) 5 hrs。 固定參數:100 W、25 mTorr、O2:50 %、室溫。.........57
圖4-7 不同RF濺鍍功率下ZnO薄膜之AFM分析圖, (a) 80 W、(b) 100 W、(c) 120 W。 固定參數:25 mTorr、O2:50 %、4 hrs、室溫。.........58
圖4-8 不同濺鍍時間下ZnO薄膜之AFM分析圖, (a) 3 hrs、(b) 4 hrs、(c) 5 hrs。 固定參數:100 W、25 mTorr、O2:50 %、室溫。.........59
圖4-9 不同濺鍍功率與壓力下鋁電極片電阻數據圖。 固定參數:3 分鐘、室溫。.........60
圖4-10 不同鋁電極厚度下SAW元件頻率響應圖.........61
圖4-11 背部蝕刻前後之SAW元件頻率響應圖.........62
圖4-12 SAW振盪電路模擬振盪頻率結果圖.........63
圖4-13 SAW振盪電路振盪頻譜量測圖.........64
圖4-14 紫外光照射不同位置後頻率漂移之比較圖(一)。.........65
圖4-15 紫外光照射不同位置後頻率漂移之比較圖(二)。.........66
圖4-16 紫外光光源衰減量與強度之模擬與實驗值之關係圖.........67
圖4-17 不同紫外光強度照射後頻率漂移之頻譜量測圖.........68
圖4-18 紫外光強度對頻率之關係圖.........69
表一 氧化鋅(ZnO)基本特性表.........70
表二 射頻磁控濺鍍ZnO薄膜之系統參數.........71
表三 直流磁控濺鍍鋁電極之系統參數.........72
表四 鋁電極材料參數.........72
表五 ZnO之JCPDS Data.........73
表六 IDT電極之設計參數.........74
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